Odsłaniając ukryte gwiazdy: ALMA rzuca światło na tłumienie pyłu w galaktykach

Pył międzygwiazdowy jest kluczowym składnikiem galaktyk: sprzyja powstawaniu gwiazd i napędza procesy chemiczne i fizyczne. Jednak równocześnie ukrywa on większość nowo narodzonych gwiazd w taki sposób, że ich bezpośrednia obserwacja jest niemożliwa. Dlatego astrofizycy wykorzystują prawa tłumienia pyłu i inżynierię wsteczną, by ustalić jak aktywna gwiazdotwórczo jest dana galaktyka. Praca na ten temat ukazała się w czasopismie Astronomy & Astrophysics.

Zawartość gwiazdowo-pyłowa w funkcji wieku Wszechświata. Rozkład osiąga szczyt w okolicach kosmicznego południa.

Astrofizycy starają się oszacować jaka część światła ultrafioletowego i widzialnego emitowanego przez gwiazdy w zapylonych galaktykach została pochłonięta przez pył, a następnie wyemitowana w zakresie podczerwonym. Przez dziesięciolecia problemem było jednak to, że prawa rządzące procesami tłumienia promieniowania przez pył nie były dostatecznie znane. Brakowało wiedzy o tym, od czego proces ten zależy. Sytuacja uległa zmianie, gdy grupa astrofizyków znalazła ukrytą korelację między pyłem a kształtem galaktyk.

Międzynarodowy zespół badaczy dokonał nowych ustaleń dotyczących fizycznych właściwości zapylonych galaktyk gwiazdotwórczych odległych od nas o ponad 10 miliardów lat świetlnych. Naukowcy przeanalizowali ponad sto silnie zapylonych galaktyk we wczesnym Wszechświecie i zbadali w nich tłumienie promieniowania przez pył przy użyciu różnych aspektów fizycznych. Zespołem kierował laureat grantu Preludium NCN, Mahmoud Hamed, wraz ze swoją opiekunką, kierowniczką grupy badawczej w Zakładzie Astrofizyki NCBJ, stypendystką grantu SONATA BIS NCN, dr hab. Katarzyną Małek. Bliska współpraca pomiędzy Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Warszawie i Laboratoire d'Astrophysique de Marseille w południowej Francji umożliwiła wykorzystanie najnowocześniejszych narzędzi do analizy prowadzącej do odpowiedzi na pytanie, które pojawiło się w ciągu dekady: Jaka jest postać prawa tłumienia pyłu rządzącego procesami zachodzącymi w galaktykach rezydujących w młodym Wszechświecie?

Zespół odkrył, że szacowane właściwości fizyczne super-pyłowych ultra-masywnych galaktyk (~10 razy bardziej masywnych niż nasza Droga Mleczna!) silnie zależą od użytych w analizie modeli opisujących tłumienie pyłu. Przełomowym odkryciem badaczy jest znalezienie związku pomiędzy sposobem w jaki pył przyciemnia światło pochodzące od młodych gwiazd a kształtem tej samej galaktyki obserwowanej w różnych długościach fali. Wyniki analizy wykazały, że w przypadku zwartego rozkładu populacji gwiazdowych w galaktykach zgodnego z rozkładem pyłu, wpływ pyłu na ich postrzeganie można wyjaśnić za pomocą prostego prawa tłumienia, bez potrzeby zakładania skomplikowanej geometrii gwiazd i pyłu. To znacznie upraszcza obliczenia i analizę właściwości fizycznych tych galaktyk. Jednak gdy rozmiary obszarów populacji gwiazdowych są znacząco mniejsze niż rozmiary obszarów pyłu, należy uwzględnić złożone cechy geometryczne i analizować właściwości fizyczne takiej galaktyki. Oznacza to, że uwzględnienie względnego skupienia zawartości emisji gwiazd w stosunku do pyłu jest kluczowe, zwłaszcza, że rodzaj użytego prawa tłumienia może silnie wpłynąć na naszą interpretację podstawowych własności fizycznych analizowanych galaktyk, takich jak to, jak bardzo są masywne.

Co więcej, krzywa ewolucji stosunku wielkości obszarów gwiazd do wielkości obszaru pyłu okazała się, co zaskakujące, osiągać szczyt w okolicach kosmicznego południa. (Jest to interesująca epoka Wszechświata, która miała miejsce około 10 miliardów lat temu, kiedy galaktyki były niezwykle aktywne gwiazdotwórczo.) Te nowe odkrycia dają nowy wgląd w naturę pyłowych galaktyk gwiazdotwórczych i dają nowe narzędzie niezbędne do zrozumienia ewolucji galaktyk. Zespół badawczy ma nadzieję, że ich wyniki zainspirują także innych badaczy do głębszego przyjrzenia się tej zależności celu zbadania tłumienia pyłu w erze wielkich instrumentów takich jak James Webb Space Telescope (JWST) i Atacama Large Millimetre/sub-millimetre Array (ALMA).

Dodatkowe informacje:
Tłumienie pyłu to zjawisko, w którym światło emitowane przez gwiazdy lub inne obiekty astronomiczne jest absorbowane i rozpraszane przez pył obecny w przestrzeni między obiektem a obserwatorem. Tłumienie pyłu prowadzi do osłabienia i przygaszenia obserwowanego światła oraz zmiany jego widma, co może wpływać na obserwacje astronomiczne i interpretację właściwości obiektów.
Badanie tłumienia pyłu jest niezwykle istotne dla astrofizyków, ponieważ pozwala im zrozumieć, jak pył wpływa na obserwacje i jaki może mieć wpływ na szacowanie właściwości obiektów kosmicznych, takich jak galaktyki, gwiazdy czy kwazary. 

Praca oryginalna:
The slippery slope of dust attenuation curves Correlation of dust attenuation laws with star-to-dust compactness up to z = 4
M. Hamed, K. Małek, V. Buat, Junais, L. Ciesla, D. Donevski, G. Riccio, and M. Figueira
Astronomy & Astrophysics: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202245818
dostępna także: https://arxiv.org/pdf/2304.13713.pdf